(57)【要約】回転子（ＳＦ）と、回転子の外周の少なくとも一部に掛けられた接触部材（ＢＴ）と、接触部材に接続され、接触部材を移動させる駆動部（ＡＣ）と、駆動部の駆動量に基づく接触部材の移動量を拡大して接触部材に伝達する拡大機構（２０）と、回転子と接触部材との間を回転力伝達状態として接触部材を一定距離移動させる駆動動作及び回転力伝達状態を解消した状態で接触部材を所定の位置に戻す復帰動作を駆動部に行わせる制御部（ＣＯＮＴ）と、を備える。
2011125719.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転子と、
前記回転子の外周の少なくとも一部に掛けられた接触部材と、
前記接触部材に接続され、前記接触部材を移動させる駆動部と、
前記駆動部の駆動量に基づく前記接触部材の移動量を拡大して前記接触部材に伝達する拡大機構と、
前記回転子と前記接触部材との間を回転力伝達状態として前記接触部材を一定距離移動させる駆動動作及び前記回転力伝達状態を解消した状態で前記接触部材を所定の位置に戻す復帰動作を前記駆動部に行わせる制御部と、
を備えるモータ装置。
【請求項２】
請求項１記載のモータ装置において、
前記拡大機構は、前記駆動部の駆動方向と略同一方向の移動方向に前記接触部材を移動させるモータ装置。
【請求項３】
請求項２記載のモータ装置において、
前記拡大機構は、一端側に第１方向に延びる軸線周りの揺動支点と、他端側に前記接触部材が前記移動方向を前記第１方向と交差させて接続される接続部と、前記揺動支点と前記接続部との間に前記駆動部が接続される第２接続部とを備えるモータ装置。
【請求項４】
請求項１記載のモータ装置において、
前記拡大機構は、前記駆動部の駆動方向と交差する移動方向に前記接触部材を移動させるモータ装置。
【請求項５】
請求項４記載のモータ装置において、
前記拡大機構は、前記駆動部の駆動方向を前記移動方向に変換するムーニー型変換装置を備えるモータ装置。
【請求項６】
請求項５記載のモータ装置において、
前記ムーニー型変換装置は、前記駆動部の駆動方向両端部に設けられた固定部と、一端が前記固定部にそれぞれ前記駆動方向と交差する第２方向に延びる軸線周りに揺動可能とするヒンジ部を介して接続された一対のロッド部と、前記一対のロッド部の他端部に前記第２方向に延びる軸線周りに揺動可能とする第２ヒンジ部を介して接続され前記接触部材に接続される第２ロッド部とを備えるモータ装置。
【請求項７】
請求項６記載のモータ装置において、
前記一対のロッド部及び第２ロッド部は、前記駆動部の幅方向の両側にそれぞれ設けられるモータ装置。
【請求項８】
請求項４記載のモータ装置において、
前記拡大機構は、第３方向に延びる軸線周りの揺動支点と、前記第３方向と交差する第４方向を移動方向とする前記接触部材が接続される接続部と、前記第３方向及び前記第４方向と交差する第５方向を駆動方向とする前記駆動部が接続され、前記駆動部が駆動したときに前記接続部が前記揺動支点を中心として揺動する第２接続部とを備えるモータ装置。
【請求項９】
請求項８記載のモータ装置において、
前記拡大機構は、前記接続部の前記揺動支点からの揺動半径が、前記第２接続部の前記揺動支点からの揺動半径よりも大きく形成されたヒンジ装置を有するモータ装置。
【請求項１０】
請求項１から９のいずれか一項に記載のモータ装置において、
前記駆動部は、電歪素子を有するモータ装置。
【請求項１１】
請求項１から１０のいずれか一項に記載のモータ装置において、
前記接触部材は、線状、帯状及び鎖状のうちいずれかの形状に形成されているモータ装置。
【請求項１２】
請求項１から１１のいずれか一項に記載のモータ装置において、
前記接触部材は、弾性変形可能に形成されているモータ装置。
【請求項１３】
請求項１から１２のいずれか一項に記載のモータ装置において、
前記駆動部を冷却する冷却装置が設けられるモータ装置。
【請求項１４】
請求項１３記載のモータ装置において、
前記冷却装置は、前記駆動部を支持する支持部と、前記駆動部との間に設けられるモータ装置。
【請求項１５】
請求項１から１４のいずれか一項に記載のモータ装置において、
前記回転子は、前記接触部材を冷却する第２冷却装置を有するモータ装置。
【請求項１６】
請求項１５記載のモータ装置において、
前記第２冷却装置は、前記回転子の表面に設けられた突出部を有するモータ装置。
【請求項１７】
請求項１６記載のモータ装置において、
前記突出部は、前記接触部材を案内する位置に設けられるモータ装置。
【請求項１８】
請求項１５から１７のいずれか一項に記載のモータ装置において、
前記第２冷却装置は、前記回転子の表面に設けられた溝部を有するモータ装置。
【請求項１９】
請求項１から１８のいずれか一項に記載のモータ装置において、
前記回転子は、中空に形成されているモータ装置。
【請求項２０】
請求項１から１９のいずれか一項に記載のモータ装置において、
前記接触部材が複数設けられるモータ装置。
【請求項２１】
請求項２０記載のモータ装置において、
前記駆動部は、複数の前記接触部材ごとに設けられ、
複数の前記駆動部は、前記回転子の回転方向にずれた位置に配置されているモータ装置。
【請求項２２】
請求項１から請求項２１のいずれか一項に記載のモータ装置において、
前記駆動部は、前記回転子を回転させない時には、前記回転子と前記接触部材との間を接触させた接触状態で前記接触部材の移動を調整するモータ装置。
【請求項２３】
駆動部の駆動により、回転子と前記回転子に掛けられた接触部材との間を回転力伝達状態として前記接触部材を一定距離移動させる駆動ステップと、
前記駆動部の駆動により、前記回転力伝達状態を解消した状態で前記接触部材を所定の位置に戻す復帰ステップとを含み、
前記駆動ステップ及び前記復帰ステップの少なくとも一方は、前記駆動部の駆動量に基づく前記接触部材の移動量を拡大して前記接触部材に伝達する拡大ステップを含む回転子の駆動方法。
【請求項２４】
回転軸部材と、
前記回転軸部材を回転させるモータ装置と、
を備え、
前記モータ装置として、請求項１から請求項２２のいずれか一項に記載のモータ装置が用いられている
ロボット装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータ装置及び回転子の駆動方法並びにロボット装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば旋回系機械を駆動させるアクチュエータとして、モータ装置が用いられている。
このようなモータ装置として、例えば電動モータや超音波モータなど、比較的に高トルクを発生させることが可能なモータ装置が広く知られている。近年では、ヒューマノイドロボットの関節部分など、より精密な部分を駆動させるモータ装置が求められており、電動モータや超音波モータなどの既存のモータにおいても小型化、トルクの制御性等、細密で高精度な駆動を行うことができる構成が求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平２−３１１２３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、例えば、電動モータや超音波モータにおいては、高トルクを発生させるためには減速機を取り付ける必要があるため、小型化には限界がある。【０００５】
本発明の態様は、高トルクを発生させることができる、モータ装置及び回転子の駆動方法並びにロボット装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の第１の態様に従えば、回転子と、回転子の外周の少なくとも一部に掛けられた接触部材と、接触部材に接続され、接触部材を移動させる駆動部と、駆動部の駆動量に基づく接触部材の移動量を拡大して接触部材に伝達する拡大機構と、回転子と接触部材との間を回転力伝達状態として接触部材を一定距離移動させる駆動動作及び回転力伝達状態を解消した状態で接触部材を所定の位置に戻す復帰動作を駆動部に行わせる制御部と、を備えるモータ装置が提供される。【０００７】
本発明の第２の態様に従えば、駆動部の駆動により、回転子と前記回転子に掛けられた接触部材との間を回転力伝達状態として接触部材を一定距離移動させる駆動ステップと、駆動部の駆動により、回転力伝達状態を解消した状態で接触部材を所定の位置に戻す復帰ステップと、を含み、駆動ステップ及び復帰ステップの少なくとも一方は、駆動部の駆動量に基づく接触部材の移動量を拡大して接触部材に伝達する拡大ステップを含む回転子の駆動方法が提供される。【０００８】
本発明の第３の態様に従えば、回転軸部材と、回転軸部材を回転させるモータ装置と、を備え、モータ装置として、先に記載のモータ装置が用いられているロボット装置が提供される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の態様に従えば、高トルクを発生させることができるモータ装置を提供する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本実施形態に係るモータ装置の一例を示す概略構成図である。
【図２】本実施形態に係る回転子を回転軸線周りに展開した図である。
【図３】本実施形態に係る駆動部の平面図である。
【図４】本実施形態に係る１組の駆動部及び接触部材を示す図である。
【図５】本実施形態に係る変位拡大度とムーニー角度との関係を示す図である。
【図６】本実施形態に係る積層圧電素子のタイミングチャート図である。
【図７】第２実施形態に係るモータ装置の一例を示す概略構成図である。
【図８】第３実施形態に係るモータ装置の一例を示す概略構成図である。
【図９】本実施形態に係る駆動部の構成を示す平面図である。
【図１０】本実施形態に係る駆動部の構成を示す正面図である。
【図１１Ａ】第４実施形態に係る回転子の正面図である。
【図１１Ｂ】第４実施形態に係る回転子の正面図である。
【図１１Ｃ】第４実施形態に係る回転子の正面図である。
【図１２】本発明の第５実施形態に係るモータ装置の適用例を示す模式図。
【図１３Ａ】本実施形態に係るモータ装置の他の構成を示す図。
【図１３Ｂ】モータ装置の他の構成を示す図。
【図１４】本実施形態に係るモータ装置の他の構成を示す図。
【図１５】本実施形態に係るモータ装置の他の構成を示す図。
【図１６】本実施形態に係るモータ装置の特性を表すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明のモータ装置及び回転子の駆動方法並びにロボット装置の実施の形態を、図１から図１６を参照して説明する。
【００１２】
［第１実施形態］
本発明の第１実施形態を説明する。図１は、本実施形態に係るモータ装置ＭＴＲの一例を示す概略構成図である。  
同図に示すように、モータ装置ＭＴＲは、回転子ＳＦと、接触部材ＢＴと、駆動部ＡＣと、固定部材ＢＳと、制御部ＣＯＮＴとを有している。なお、回転子ＳＦを保持するための複数個の軸受等は図示を省略している。
【００１３】
モータ装置ＭＴＲは、駆動部ＡＣが固定部材ＢＳによって支持された状態で、駆動部ＡＣに接続された接触部材ＢＴが回転子ＳＦに掛けられた構成である。制御部ＣＯＮＴは駆動部ＡＣに接続されており、前記駆動部ＡＣに対して制御信号を供給可能になっている。
【００１４】
駆動部ＡＣは、接触部材ＢＴの両端にそれぞれ接続されて設けられており、ゲル状の冷却剤ＣＬを介して固定部材ＢＳに固定されている。これら駆動部ＡＣ及び接触部材ＢＴは、図１に示されるように、回転子ＳＦの周方向に間隔をあけて１２０°間隔で３組配置されている。また、これら３組の駆動部ＡＣ及び接触部材ＢＴは、接触部材ＢＴが互いに重ならないように、回転子ＳＦを回転軸線周りに展開した図２に示されるように、軸方向に互いに間隔をあけて設けられている。３組の駆動部ＡＣ及び接触部材ＢＴについては、適宜、駆動部ＡＣ１〜ＡＣ３、接触部材ＢＴ１〜ＢＴ３と称している。
【００１５】
接触部材ＢＴは、弾性変形可能な材料で帯状に形成されており、回転子ＳＦに、例えば２４０°（２／３周）の長さで巻き掛けられている。３つの接触部材ＢＴは、それぞれ幅が等しい。３つの接触部材ＢＴと回転子ＳＦとの間の摩擦係数は、それぞれ例えば０．３となるように形成する。接触部材ＢＴの端部近傍（駆動部ＡＣとの接続部近傍）には、前記接触部材ＢＴの張力を検出する検出装置２５が設けられている。
【００１６】
図３は、駆動部ＡＣの平面図である。
この図に示す駆動部ＡＣは、制御部ＣＯＮＴによる通電に応じて長さ方向（図３では上下方向）に伸縮（駆動）する積層圧電素子（電歪素子）１１と、積層圧電素子１１の駆動量を拡大する拡大機構２０とを有している。積層圧電素子１１としては、例えばピエゾ素子などが用いられる。この図において、積層圧電素子１１の長さ方向（積層方向、伸縮方向）をｙ方向、ｙ方向と直交（交差）する幅方向（図３では左右方向）をｘ方向、ｘ方向及びｙ方向と直交する厚さ方向をｚ方向として説明する。
【００１７】
拡大機構２０は、積層圧電素子１１の駆動力を用いて、接触部材ＢＴの移動方向を積層圧電素子１１の伸縮方向と略直交するｘ方向に変換するとともに、積層圧電素子１１の駆動量（伸縮量）に基づく接触部材ＢＴの移動量を拡大して接触部材ＢＴに伝達するムーニー型変換装置を有している。このムーニー型変換装置は、積層圧電素子１１の長さ方向両端にそれぞれ設けられた固定部２１と、積層圧電素子１１のｘ方向両側に配置され、一端が固定部２１に対して、ｚ軸方向（第１方向）に延びる軸線回りの揺動支点を有するヒンジ部３１ａ及び３１ｂを介してそれぞれ接続された一対のロッド部２２ａ、２２ａ及び２２ｂ、２２ｂと、一対のロッド部２２ａ、２２ａの他端部にｚ軸方向（第２方向）に延びる軸線回りに揺動可能にするヒンジ部３２ａ及び３２ｂを介してそれぞれ接続されたロッド部２３ａ及び２３ｂとを有している。ロッド部２２ａ、２２ａ、２３ａ（ロッド部２２ｂ、２２ｂ、２３ｂ）の合計の長さは、非通電時の積層圧電素子１１の長さ（自然長）と略同一に設定されている。
【００１８】
図４は、１組の駆動部ＡＣ及び接触部材ＢＴを示す図である（図４では、検出装置２５の図示を省略している）。
図３及び図４に示されるように、駆動部ＡＣは、回転子ＳＦに掛けられた接触部材ＢＴに、幅方向の一端側のロッド部２３ａにおいて接続され、幅方向の他端部において固定部材ＢＳに接続されている。また、駆動部ＡＣは、接触部材ＢＴと回転子ＳＦとの接線方向に対して、駆動部ＡＣの幅方向（ｘ方向）を一致させて固定部材ＢＳに接続されている。
【００１９】
続いて、上記のように構成されたモータ装置ＭＴＲの動作のうち、拡大機構２０の動作について説明する。また、図３に示す拡大機構２０については、ロッド部２２ａ、２２ａ、２３ａの動作とロッド部２２ｂ、２２ｂ、２３ｂの動作とは同様であるため、ここではロッド部２２ａ、２２ａ、２３ａの動作について説明する。
【００２０】
通電により積層圧電素子１１が、例えば長さ方向（ｙ方向）で縮んだ場合、積層圧電素子１１の両端に固定された固定部２１、２１が互いに接近する方向に移動して固定部２１、２１間の距離が短くなるため、ロッド部２２ａ、２２ａは、一端側のヒンジ部３１ａを揺動中心として他端側が積層圧電素子１１から離間する方向にｚ軸周りにそれぞれ揺動する。このとき、ロッド部２２ａ、２２ａの揺動先端（他端側先端）は積層圧電素子１１から略同一距離で積層圧電素子１１から離間するため、ロッド部２２ａ、２２ａの他端部間に接続されたロッド部２３ａは、積層圧電素子１１から離間する−ｘ側へ移動する。
【００２１】
ここで、積層圧電素子１１の駆動量（ここでは縮み量）Ｌと、ロッド部２３ａのｘ方向への移動量Ｌ１との相関関係は、積層圧電素子１１の駆動によりロッド部２２ａが傾く角度（ｙ軸に対して成す角度；所謂ムーニー角度）θに応じて変化する。図５に、ロッド部２３ａのｘ方向への移動量Ｌ１と積層圧電素子１１の駆動量Ｌとの比（Ｌ１／Ｌ）で表される変位拡大度とムーニー角度θとの関係を示す（文部科学省科学研究費補助金  特定領域研究「ブレイクスルーを生み出す次世代アクチュエータ研究」第５回公開シンポジウム資料第３８頁）。この図に示されるように、変位拡大度は、ムーニー角度θが約２度のときに最も大きい値（約２０倍）となる。
【００２２】
そのため、ムーニー角度θが約２度となる駆動量で積層圧電素子１１を駆動することにより、拡大機構２０は、積層圧電素子１１の駆動量Ｌを、２０倍程度に拡大した量の移動量Ｌ１を形成し、ロッド部２３ａを移動させることができる。また、拡大機構２０は、ロッド部２２ｂ、２２ｂ、２３ｂについてもロッド部２２ａ、２２ａ、２３ａと同様に、積層圧電素子１１の駆動量Ｌを、２０倍程度に拡大した量の移動量Ｌ１を形成し、ロッド部２３ｂを移動させる。そのため、図４に示されるように、ロッド部２３ｂを固定部材ＢＳに固定し、ロッド部２３ａに接触部材ＢＴを接続した構成においては、接触部材ＢＴは積層圧電素子１１の駆動量Ｌに対して４０倍程度の移動量で移動することが可能となる。
【００２３】
積層圧電素子１１が、長さ方向で延伸した場合には、上記と逆の動作により、ロッド部２３ａ、２３ｂは、積層圧電素子１１の駆動量Ｌを拡大した量の移動量で、ｙ方向に延在した状態の積層圧電素子１１に接近する方向に移動する。
【００２４】
続いて、上記のモータ装置ＭＴＲを用いた回転子ＳＦの駆動方法について説明する。
回転子ＳＦを駆動させる際には、回転子ＳＦに巻き掛けられた接触部材ＢＴに有効張力を生じさせ、前記有効張力によって回転子ＳＦにトルクを伝達する。
【００２５】
図６（ａ）は、駆動部ＡＣ１における時間経過（横軸）と積層圧電素子１１の変位量（駆動量；縦軸）との関係を示す図である。各図における上段は、図４に示す回転子ＳＦの回転方向（図４では時計回り方向）の前方側に位置する駆動部ＡＣ１における積層圧電素子１１（便宜上、積層圧電素子１１Ａと称する）に関する時間経過と変位量との関係を示し、各図における下段は、回転子ＳＦの回転方向の後方側に位置する駆動部ＡＣ１における積層圧電素子１１（便宜上、積層圧電素子１１Ｂと称する）に関する時間経過と変位量との関係を示している。
【００２６】
同様に、図６（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ駆動部ＡＣ２、ＡＣ３における時間経過（横軸）と積層圧電素子１１の変位量（駆動量；縦軸）との関係を示す図である。各図における上段はそれぞれ駆動部ＡＣ２、ＡＣ３における回転子ＳＦの回転方向の前方側に位置する積層圧電素子１１Ａに関する時間経過と変位量との関係を示し、各図における下段は、回転子ＳＦの回転方向の後方側に位置する駆動部ＡＣ２、ＡＣ３における積層圧電素子１１Ｂに関する時間経過と変位量との関係を示している。
【００２７】
また、各図における変位量Ｌｇは、積層圧電素子１１Ａ、１１Ｂが延伸したとき（拡大機構２０により、ロッド部２３ａ、２３ｂ（接触部材ＢＴの端部）が積層圧電素子１１に接近する方向に移動したとき）の変位量を示し、各図における変位量Ｌｍは、積層圧電素子１１Ａ、１１Ｂが収縮したとき（拡大機構２０により、ロッド部２３ａ、２３ｂ（接触部材ＢＴの端部）が積層圧電素子１１と離間する方向に移動したとき）の変位量を示している。
【００２８】
また、各駆動部ＡＣ１〜ＡＣ３においては、積層圧電素子１１Ａが変位量Ｌｍで、積層圧電素子１１Ｂが変位量Ｌｇで伸縮しているときに、回転子ＳＦにトルクを伝達可能な有効張力が、回転子ＳＦに巻き掛けられた接触部材ＢＴに付与される。
【００２９】
まず、図６（ａ）を参照して、駆動部ＡＣ１による回転子ＳＦの駆動方法について説明する。
予め、積層圧電素子１１Ａが変位量Ｌｍ、積層圧電素子１１Ｂが変位量Ｌｇで駆動されて有効張力が接触部材ＢＴに付与された初期状態から、時間ｔ１区間では、積層圧電素子１１Ａが変位量Ｌｇで駆動されて接触部材ＢＴ１の端部を駆動部ＡＣ１に接近させる方向に一定距離移動させるとともに、積層圧電素子１１Ｂが変位量Ｌｇで駆動されて接触部材ＢＴ１の端部を駆動部ＡＣ１から離間させる方向に一定距離移動させる。これにより、回転力伝達状態となり、回転子ＳＦには、上述した有効張力が保持された状態で時計回り方向に回転するトルクが付与される（駆動動作）。
【００３０】
次に、時間ｔ２区間では、積層圧電素子１１Ｂの変位量Ｌｇが保持された状態で、積層圧電素子１１Ａが変位量Ｌｍで駆動されて接触部材ＢＴ１の端部を駆動部ＡＣ１から離間させる方向に移動させる。これにより、図４に二点鎖線で示すように、接触部材ＢＴ１は緩んで回転力伝達状態が解消された状態となり、回転子ＳＦは接触部材ＢＴ１から付与される張力から解放される。
【００３１】
続く時間ｔ３では、積層圧電素子１１Ａの変位量Ｌｍが保持された状態で、積層圧電素子１１Ｂが変位量Ｌｇで駆動されて接触部材ＢＴ１の端部を駆動部ＡＣ１に接近させる方向に移動させる。これにより、接触部材ＢＴ１は再び回転子ＳＦに有効張力を付与し、回転を与えない初期状態に復帰する（復帰動作）。
そして、この後、時間ｔ１〜ｔ３の動作を繰り返すことにより、接触部材ＢＴ１は回転子ＳＦに対して間欠的にトルクを付与しつつ、時計回り方向に連続的に回転させることができる。
【００３２】
ただし、上記駆動部ＡＣ１による回転子ＳＦの駆動において、例えば時間ｔ２区間では、接触部材ＢＴ１が緩んでおり、外乱トルクにより回転子ＳＦが逆回転する可能性があるため、本実施形態では、図６（ｂ）、（ｃ）に示すように、上記の時間ｔ１〜ｔ３が互いに重ならないように、制御部ＣＯＮＴが駆動部ＡＣ２、ＡＣ３における積層圧電素子１１Ａ、１１Ｂの駆動を調整する。これにより、接触部材ＢＴ２、ＢＴ３を介して回転子ＳＦに回転トルクが付与される時間ｔ１区間が連続することになるため、安定して回転子ＳＦを時計回り方向に回転させることが可能になる。
【００３３】
回転子ＳＦを反時計回り方向に回転させる場合には、図６に示した時間と変位量との関係において、積層圧電素子１１Ａに印加する電圧と、積層圧電素子１１Ｂに印加する電圧とを逆にして、変位量Ｌｇ、Ｌｍが逆になるようにすればよい。
【００３４】
また、上記駆動部ＡＣ１〜ＡＣ３及び接触部材ＢＴ１〜ＢＴ３を用いた回転子ＳＦの回転駆動に際しては、検出装置２５による張力検出結果に応じて、積層圧電素子１１Ａ、１１Ｂの変位量を調整することもできる。すなわち、各接触部材ＢＴ１〜ＢＴ３の張力を検出装置２５で検出し、検出された張力が所定範囲を外れている場合には、前記接触部材ＢＴ１〜ＢＴ３が接続された駆動部ＡＣ１〜ＡＣ３における積層圧電素子１１Ａ、１１Ｂの変位量を調整することにより、回転子ＳＦに付与されるトルクを所定範囲に収めることができ、安定して回転子ＳＦを回転させることができる。
【００３５】
このように、本実施形態によれば、接触部材ＢＴが回転子ＳＦの少なくとも一部に掛けられた状態で駆動部ＡＣに駆動動作及び復帰動作を行わせることとしたので、減速機等を取り付けなくても、また、小型の駆動部ＡＣであっても高いトルクを回転子ＳＦに付加させることが可能となる。これにより、高トルクを発生させることができる小型のモータ装置ＭＴＲを得ることができる。また、小型の駆動部ＡＣであっても高効率で回転子ＳＦを回転させることが可能となる。
【００３６】
また、例えば、積層圧電素子１１の変位量を長さに対して０．１％程度とすると、接触部材ＢＴの移動量に応じて、積層圧電素子１１の駆動量を大きくするためには積層圧電素子１１を大幅に長くする必要があり、装置の大型化が避けられなかった。しかしながら、以上説明したように、本実施形態では、拡大機構２０が積層圧電素子１１の駆動量に基づく接触部材ＢＴの移動量を拡大して接触部材ＢＴに伝達するため、積層圧電素子１１を長くすることなく接触部材ＢＴの移動量を大きくすることが可能になる。
【００３７】
また、本実施形態では、拡大機構２０として、ムーニー型変換装置を用いているため、接触部材ＢＴの移動方向を、積層圧電素子１１の駆動方向と略直交する方向に変換することができ、積層圧電素子１１の長さ方向について装置の大型化を抑制することが可能になる。特に、本実施形態では、拡大機構２０が、積層圧電素子１１の幅方向（ｘ方向）の両側で積層圧電素子１１の駆動量に基づく接触部材ＢＴの移動量を拡大するため、さらに、接触部材ＢＴの移動量を大きくすることが可能になる。したがって、本実施形態では、拡大機構２０によって、回転子ＳＦの回転速度を速くすることが可能になる。
【００３８】
［第２実施形態］
続いて、本発明の第２実施形態について、図７を参照して説明する。この図において、図４に示す第１実施形態の構成要素と同一の要素については同一符号を付し、その説明を省略する。
【００３９】
上記第１実施形態では、接触部材ＢＴの移動方向を、積層圧電素子１１の駆動方向と略直交する方向とする拡大機構２０が用いられる構成としたが、本実施形態の駆動部ＡＣには、接触部材ＢＴの移動方向を、積層圧電素子１１の駆動方向と略同一とする拡大機構２０Ａが用いられる。本実施形態においても、回転子ＳＦの回転軸線方向をｚ方向、積層圧電素子１１の駆動方向をｙ方向、ｚ方向及びｙ方向と直交する方向をｘ方向として説明する。
【００４０】
図７に示すように、拡大機構２０Ａは、固定部材ＢＳに設けられ、互いに相対する方向に向くヒンジ装置ＨＧ１、ＨＧ２から構成されている。ヒンジ装置ＨＧ１は、ｙ方向に延びるロッド部４１Ａと、ロッド部４１Ａの＋ｙ側端部に設けられｘ方向に延びるロッド部４２Ａと、ロッド部４１Ａの−ｙ側端部に設けられｘ方向に延びるロッド部４３Ａと、ヒンジ部４４Ａとを有している。
【００４１】
ヒンジ部４４Ａは、ロッド部４１Ａとロッド部４２Ａとの接続部近傍に設けられ、ｚ軸方向に延びる軸線回りの揺動支点を有し、ロッド部４１Ａに対してロッド部４２Ａを上記揺動支点周りに揺動可能とする。ロッド部４３Ａは、固定部材ＢＳに固定されている。
【００４２】
ロッド部４２Ａの揺動先端側（＋ｘ側）の端部に位置する接続部４５Ａには、接触部材ＢＴの一端が接続されている。本実施形態における接触部材ＢＴは、回転子ＳＦに、例えば１８０°（１／２周）の長さでｙ軸方向を接線方向として巻き掛けられている。そして、積層圧電素子１１（１１Ａ）は、ｙ軸方向を駆動方向（長さ方向）としてロッド部４２Ａとロッド部４３Ａとの間に挟持された状態で固定されている。ロッド部４２Ａにおける積層圧電素子１１Ａとの接続部（第２接続部）４６Ａは、ヒンジ部４４Ａの揺動支点と接続部４５Ａとの間に配置される。
【００４３】
ヒンジ装置ＨＧ２は、回転子ＳＦの回転軸線と交差しｙ軸方向に延びる線分に関してヒンジ装置ＨＧ１と線対称であることがヒンジ装置ＨＧ１と異なるため、ヒンジ装置ＨＧ１における符合の添字をＡからＢに代えて図示し、その説明を省略する。
【００４４】
上記構成の駆動部ＡＣにおいては、通電により積層圧電素子１１Ａが、例えば長さ方向に縮んだ場合、ロッド部４２Ａはヒンジ部４４Ａを揺動支点としてｚ軸周りの時計回り方向に揺動する。ヒンジ部４４Ａを揺動支点としたロッド部４２Ａの揺動により、接続部４５Ａは略−ｙ方向に移動する。接続部４５Ａの移動量は、ロッド部４２Ａにおける積層圧電素子１１Ａとの接続部４６Ａの位置に応じて設定される。
【００４５】
接続部４６Ａのヒンジ部４４Ａからの距離をＬ４６、接続部４５Ａのヒンジ部４４Ａからの距離をＬ４５とすると、接続部４５Ａの移動量は下式で示される。
（積層圧電素子１１Ａの変位量）×（Ｌ４５／Ｌ４６）  …（１）
【００４６】
上記の式（１）から接続部４５Ａの移動量は、拡大機構２０Ａによって積層圧電素子１１Ａの変位量（駆動量）が（Ｌ４５／Ｌ４６）倍に拡大された量となる。
従って、接続部４５Ａで接続された接触部材ＢＴの一端は、上記積層圧電素子１１Ａの変位量を拡大した量の移動量で、積層圧電素子１１Ａの駆動方向と略同一の−ｙ方向に移動することになる。
回転子ＳＦの駆動方法については、図６に示した時間経過で積層圧電素子１１Ａ、１１Ｂを駆動することにより、上記第１実施形態と同様に回転子ＳＦを回転させることができる。
【００４７】
このように、本実施形態では、拡大機構２０Ａが積層圧電素子１１Ａ、１１Ｂの駆動量に基づく接触部材ＢＴの移動量を拡大して接触部材ＢＴに伝達するため、積層圧電素子１１Ａ、１１Ｂを長くすることなく、積層圧電素子１１Ａ、１１Ｂの駆動方向で接触部材ＢＴの移動量を大きくすることが可能になる。
【００４８】
［第３実施形態］
続いて、本発明の第３実施形態について、図８〜図１０を参照して説明する。
この図において、図１から図６に示す第１実施形態の構成要素と同一の要素については同一符号を付し、その説明を省略する。
本実施形態では、接触部材ＢＴが回転子ＳＦに対して１回転（３６０度）以上の長さで巻き掛けられる構成である。
【００４９】
図８に示すように、本実施形態の接触部材ＢＴは、例えばスチールなどの導電材料によって形成され、回転子ＳＦに例えば１回転巻き掛けられて交差した状態である。接触部材ＢＴの交差部分（基準位置）１２１は、クロスベルト構造である。具体的には、交差部分１２１において、接触部材ＢＴの第１端部１２２Ａが二股に分かれていると共に接触部材ＢＴの第２端部１２２Ｂの幅が狭くなっている。このため、接触部材ＢＴは、第２端部１２２Ｂが第１端部１２２Ａの二股の間に配置された状態で交差している。接触部材ＢＴの第１端部１２２Ａ及び第２端部１２２Ｂは、外側から挟み込むように、それぞれ駆動部ＡＣに接続されている。
【００５０】
図９は、駆動部ＡＣの構成を示す平面図であり、図１０は正面図である。
これらの図においては、積層圧電素子１１Ａ、１１Ｂの駆動方向及び回転子ＳＦの回転軸線方向をＹ方向（第５方向）とし、Ｙ方向と直交する接触部材ＢＴの移動方向をＸ方向（第４方向）とし、これらＹ方向及びＸ方向に直交する方向をＺ方向（第３方向）として説明する。
【００５１】
図９に示す駆動部ＡＣは、接触部材ＢＴの第１端部１２２Ａを移動させる第１駆動部ＡＣａと、第２端部１２２Ｂを移動させる第２駆動部ＡＣｂとを有している。第１駆動部ＡＣａは、Ｚ方向に延びる軸線回りの揺動支点を有するヒンジ部１３１ａ、ヒンジ部１３１ａに接続されてＺ軸周りに揺動する移動部１３２ａ、ヒンジ部１３１ａを介して移動部１３２ａに接続された固定部１３３ａを有している。本実施形態では、移動部１３２ａにより拡大機構が構成される。
【００５２】
固定部１３３ａは、Ｘ方向に延在するロッド部１４１ａ、１４２ａと、Ｙ方向に延在し積層圧電素子１１Ａの＋Ｘ側でロッド部１４１ａ、１４２ａの間に架設されるロッド部１４３ａとにより略矩形弧状に形成されている。−Ｙ側に位置するロッド部１４２ａは、−Ｙ側から積層圧電素子１１Ａの一端に接続されている。
【００５３】
移動部１３２ａは、Ｘ方向に延在するロッド部１５１ａ、１５２ａと、Ｙ方向に延在し積層圧電素子１１Ａの−Ｘ側でロッド部１５１ａ、１５２ａの間に架設されるロッド部１５３ａと、Ｙ方向に延在し、ロッド部１５２ａの＋Ｘ側端部から＋Ｙ側に延出するロッド部１５４ａにより、一辺が部分的に切り欠かれた略矩形環状に形成されている。＋Ｙ側に位置するロッド部１５１ａは、ロッド部１４１ａの−Ｙ側に隙間をあけて配置され、＋Ｙ側から積層圧電素子１１Ａの他端に接続される第２接続部を構成している。−Ｙ側に位置するロッド部１５２ａは、ロッド部１４２ａの−Ｙ側に隙間をあけて配置されている。ロッド部１５４ａは、ロッド部１４３ａの＋Ｘ側に隙間をあけて配置されている。
【００５４】
ロッド部１５４ａの＋Ｙ側端部には、Ｚ方向に延びる軸線回りの揺動支点を有するヒンジ部１６１ａを介して接続され、Ｙ方向に延在する接続部１６２ａがロッド部１５４ａの＋Ｘ側に隙間をあけて配置されている。接続部１６２ａには、接触部材ＢＴの第１端部１２２Ａが＋Ｘ側から接続されている。
図９において、ヒンジ部１３１ａを揺動支点とする接続部１６２ａの揺動半径は、ヒンジ部１３１ａを揺動支点とするロッド部１５１ａの揺動半径よりも大きく形成されている。
【００５５】
第２駆動部ＡＣｂは、回転子ＳＦの回転軸線と交差しｙ軸方向に延びる線分に関して第１駆動部ＡＣａと線対称である。図９および図１０において、第２駆動部ＡＣｂの各構成要素について、第１駆動部ＡＣａにおける符合の添字をａからｂに代えて示し、その説明を省略する。第２駆動部ＡＣｂにおける接続部１６２ｂには、接触部材ＢＴの第２端部１２２Ｂが−Ｘ側から接続されている。
【００５６】
上記構成の駆動部ＡＣにおいては、通電により積層圧電素子１１Ａが、例えば長さ方向に縮んだ場合、移動部１３２ａはヒンジ部１３１ａを揺動支点としてＺ軸周りの時計回り方向に揺動する。ヒンジ部１３１ａを揺動支点とした移動部１３２ａの揺動により、接続部１６２ａはヒンジ部１６１ａを介して略−Ｘ方向に移動する。このとき、Ｚ軸周りの揺動により移動部１３２ａはＹ方向に対して傾くが、接続部１６２ａはヒンジ部１６１ａにおいてロッド部１５４ａに対してＺ軸周りの反時計周り方向に揺動するため、Ｙ方向に延在した状態を維持したまま−Ｘ方向に移動する。接続部１６２ａの−Ｘ方向への移動により、接触部材ＢＴの第１端部１２２Ａも−Ｘ方向に移動し、接触部材ＢＴの回転子ＳＦへの巻き掛けが緩むことになる。
【００５７】
接続部１６２ａ及び第１端部１２２Ａの移動量は、ヒンジ部１３１ａを揺動支点とする接続部１６２ａの揺動半径と、ヒンジ部１３１ａを揺動支点とするロッド部１５１ａの揺動半径との比に応じて設定される。
例えば、ロッド部１５１ａのヒンジ部１３１ａからの距離をＬ１５１、接続部１６２ａのヒンジ部１３１ａからの距離をＬ１６２とすると、接続部１６２ａの移動量は下式で示される。
（積層圧電素子１１Ａの変位量）×（Ｌ１６２／Ｌ１５１）  …（２）
【００５８】
上記の式（２）において、接続部１６２ａの移動量は、拡大機構である移動部１３２ａによって積層圧電素子１１Ａの変位量（駆動量）が（Ｌ１６２／Ｌ１５１）倍に拡大された量となる。
従って、接続部１６２ａで接続された接触部材ＢＴの第１端部１２２Ａは、上記積層圧電素子１１Ａの変位量を拡大した量の移動量で、積層圧電素子１１Ａの駆動方向と略直交する−Ｘ方向に移動することになる。
【００５９】
逆に、通電により積層圧電素子１１Ａが、長さ方向に延びた場合、移動部１３２ａはヒンジ部１３１ａを揺動支点としてＺ軸周りの反時計回り方向に揺動することで、上記とは逆に、接続部１６２ａで接続された接触部材ＢＴの第１端部１２２Ａは、上記積層圧電素子１１Ａの変位量を拡大した量の移動量で＋Ｘ方向に移動し、回転子ＳＦに対して有効張力を付与することができる。
【００６０】
同様に、積層圧電素子１１Ｂが伸縮した場合には、その伸縮方向に応じて移動部１３２ｂがヒンジ部１３１ａを揺動支点としてＺ軸周りに揺動し、接触部材ＢＴの第２端部１２２ＢがＸ方向に移動することにより、接触部材ＢＴの回転子ＳＦへの張力付与・巻き掛けの緩みを調整することができる。
【００６１】
そして、積層圧電素子１１Ａ、１１Ｂを、図６に示した関係と同様の時間経過で変位量を適宜調整することにより、回転子ＳＦに対して連続的に回転トルクを付与することができる。
【００６２】
［第４実施形態］
次に、本発明の第４実施形態について、図１１Ａ、図１１Ｂ、および図１１Ｃを参照して説明する。
本実施形態では、上記の第１、第２実施形態に対して回転子ＳＦの構成が異なっているため、以下、回転子ＳＦについて説明する。
【００６３】
図１１Ａに示すように、回転子ＳＦの外周面（表面）には、接触部材ＢＴ１〜ＢＴ３がそれぞれ嵌合する幅の隙間をあけて円盤状の突出部５０が回転軸線方向に複数（ここでは４つ）設けられている。接触部材ＢＴ１〜ＢＴ３は、突出部５０に案内されて回転子ＳＦの外周面に巻き掛けられている。
他の構成は、上記第１、第２実施形態と同様である。
【００６４】
上記の構成の回転子ＳＦでは、接触部材ＢＴ１〜ＢＴ３が突出部５０に案内された状態となるため、回転子ＳＦが回転した場合でも、回転軸線方向の位置にずれが生じず、回転トルクを安定して回転子ＳＦに付与することが可能になる。また、本実施形態の回転子ＳＦでは、突出部５０から放熱が促進されることから冷却装置（第２冷却装置）ＣＬとして機能することになり、接触部材ＢＴ１〜ＢＴ３との間の摩擦等で発熱した場合でも、効果的に冷却することができ、摩擦熱に起因する回転トルクが回転子ＳＦに作用することを回避できる。
【００６５】
また、回転子ＳＦに設ける冷却装置ＣＬとしては、上記の突出部５０の他に、図１１Ｂに示すように、回転子ＳＦの外周面に回転軸線回りに形成した複数（ここでは３つ）の溝部５０ａを形成する構成としてもよい。
この構成では、溝部５０ａにより回転子ＳＦの表面積が増して放熱効率が高まるとともに、回転子ＳＦと接触部材ＢＴ１との間に隙間が形成されて排熱されるため、冷却効率を大幅に高めることができる。また、この構成では、回転子ＳＦと接触部材ＢＴ１との摩擦で生じた摩擦粉を溝部５０ａを介して排出できるため、回転子ＳＦと接触部材ＢＴ１との間に存在する摩擦粉によって摩擦力が変動して、回転子ＳＦに付与されるトルクが変動することを抑制できる。
【００６６】
さらに、回転子ＳＦに設ける冷却装置ＣＬとしては、図１１Ｃに示すように、回転子ＳＦを円筒形状の中空構造とし、外周面と中空部とを貫通する貫通孔５０ｂを設ける構成としてもよい。
この構成では、図１１Ｂに示した構成と同様に、摩擦熱及び摩擦粉を貫通孔５０ｂを介して中空部に排出することができる。さらに、この構成では、摩擦粉の飛散を抑えることができ、摩擦粉による回転子ＳＦのトルク変動を抑制することが可能になる。
【００６７】
［第５実施形態］
次に、本発明の第５実施形態を説明する。  
本実施形態では、上記のモータ装置の適用例を説明する。  
図１２は、モータ装置ＭＴＲを例えばロボットアームに適用させた構成を示す図である。
【００６８】
同図に示すように、モータ装置ＭＴＲがカップリングＣＰＬを介してロボットアームＡＲＭに接続されている。上記実施形態のモータ装置ＭＴＲは、小型で高トルクを出力可能であるため、ロボットアームＡＲＭを高精度に駆動させることができる。また、上記実施形態のモータ装置ＭＴＲは、ロボットの関節部分（例、指の関節部分、等）や工作機械の駆動部などにも応用することができる。
【００６９】
以上、添付図面を参照しながら本発明に係る好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されない。上述した例において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
【００７０】
例えば、上記実施形態においては、回転子が中実である構成（中空でない構成）としたが、これに限られることは無い。例えば、ロボットアームＡＲＭなどの旋回系機械にモータ装置ＭＴＲを搭載する場合などには、図１３Ａに示すように、回転子ＳＦを中空の構成としても構わない。図１３Ａに示すように、回転子ＳＦは、回転軸方向に貫通する貫通部７１を有している。貫通部７１には、円筒状のベアリング７０が設けられている。回転子ＳＦは、前記ベアリング７０の周囲に回転可能になっている。
【００７１】
また、図１３Ｂに示すように、ベアリング７０の内部には、例えば配線７２などを配置させることができる。このように、回転子ＳＦを配線配管として用いることも可能である。
【００７２】
また、上記実施形態においては、回転伝達状態として、回転子ＳＦと接触部材ＢＴとの間が摩擦力によって滑らない状態であるとして説明したが、これに限られることは無い。
例えば図１４に示すように、回転子ＳＦと接触部材ＢＴとを係合させた状態を回転伝達状態としても構わない。同図に示すように、回転子ＳＦには凸部１７１が設けられており、前記凸部１７１と噛みあうように接触部材ＢＴに凹部１７２が設けられている。このように、回転子ＳＦの凸部１７１と接触部材ＢＴの凹部１７２とを係合させることで回転力を伝達する構成であっても構わない。例えば、回転子ＳＦの凸部１７１が設けられる方向は、特に限定されることは無く、ランダムな方向、回転子ＳＦの回転軸方向、回転子ＳＦの円周方向、などでもよい。また、本実施形態においては、回転子ＳＦに凹部を設け、接触部材ＢＴに凸部を設ける構成としてもよい。上記凸部（例えば、凸部１７１）又は上記凹部（例えば、凹部１７２）のサイズは、特に限定はされないが、駆動部ＡＣによって接触部材ＢＴを緩ませることが可能な程度に小さいこと、又は駆動部ＡＣによって回転子ＳＦと接触部材ＢＴとの間に隙間を生じさせることが可能な程度に小さいことが望ましい。ここで、本実施形態における係合とは、例えば、回転子ＳＦの凸部１７１と接触部材ＢＴの凹部１７２とが噛み合うこと、回転子ＳＦの凸部１７１と接触部材ＢＴの凹部１７２とが嵌め合うこと、回転子ＳＦの凸部１７１と接触部材ＢＴの凹部１７２とが継なぎ合うこと、なども含むものであって、回転子ＳＦの凸部１７１と接触部材ＢＴの凹部１７２とが完全に係合している必要はない。
【００７３】
上記実施形態では、接触部材ＢＴが帯状に形成された例を説明したが、これに限られることは無く、例えば線状、鎖状に形成されていても構わない。
【００７４】
また、上記実施形態では、積層圧電素子１１の変位によって接触部材ＢＴの張力を制御できるので、駆動停止時においても保持トルクの制御が可能である。
例えば、上記の各実施形態で示した駆動部ＡＣにより積層圧電素子１１の変位量を適宜制御することにより、ブレーキ機能を付加することができる。
例えば、第１実施形態で示した駆動部ＡＣに関して、図６に示したタイミングチャートに対して、図１５に示すタイミングチャートではブレーキ区間としてのｔ０区間を設けている。
【００７５】
このｔ０区間では、変位量Ｌｍよりも僅かに大きな変位量で積層圧電素子１１Ａ、１１Ｂが延びることにより、接触部材ＢＴの両端に張力が付与され、回転子ＳＦに対するブレーキ力として作用させることが可能になる。駆動部ＡＣは、回転子ＳＦを回転させない時には、回転子ＳＦと接触部材ＢＴとの間を接触させた接触状態で接触部材ＢＴの移動を調整する。従って、駆動部ＡＣは、回転子ＳＦの回転を停止させたり、停止状態を維持させたりすることができる。
【００７６】
また、上記実施形態では、接触部材ＢＴを移動させる駆動部ＡＣが電歪素子を有する構成を例に挙げて説明したが、これに限られることは無く、例えば駆動部が電歪素子に代えて磁歪素子、電磁石、ＶＣＭ（ボイスコイルモータ）など、他のアクチュエータを用いる構成であっても構わない。例えば磁歪素子を用いた場合、推力を高くすることができる。
電磁石を用いた場合は、高推力、長ストロークの駆動が可能である。ＶＣＭを用いた場合、長ストロークの駆動が可能であり、トルク制御が容易となる。
【００７７】
また、例えば、上記実施形態における回転子ＳＦの駆動動作は、図１６に示すような、オイラーの摩擦ベルト理論を用いている。図１６は、摩擦係数μを変化させたときの有効巻き付き角θとオイラー係数との関係を示すグラフである。図１６に示すように、例えば摩擦係数μが０．３の場合には、有効巻き付き角θが３００°以上のときにオイラー係数の値が０．８となっている。このことから、摩擦係数μが０．３の場合には、有効巻き付き角θを３００°以上とすることにより、駆動部ＡＣによる張力の８０％以上の力が回転子ＳＦのトルクに寄与することがわかる。
【符号の説明】
【００７８】
１１…積層圧電素子（電歪素子）、  ２２ａ、２２ｂ…ロッド部、  ２３ａ、２３ｂ…ロッド部（第２ロッド部）、  ３１ａ、３１ｂ…ヒンジ部、  ３２ａ、３２ｂ…ヒンジ部（第２ヒンジ部）、  ４５Ａ…接続部、  ４６Ａ…接続部（第２接続部）、  ５０…突出部（第２冷却装置）、  １３２ａ、１３２ｂ…移動部（拡大機構）、  １５１ａ…ロッド部（第２接続部）、  １６２ａ…接続部、  ＢＴ…接触部材、  ＣＬ…冷却装置（第２冷却装置）、  ＭＴＲ…モータ装置、  ＳＦ…回転子。
【図１】
2011125719.tif 000003
【図２】
2011125719.tif 000004
【図３】
2011125719.tif 000005
【図４】
2011125719.tif 000006
【図５】
2011125719.tif 000007
【図６】
2011125719.tif 000008
【図７】
2011125719.tif 000009
【図８】
2011125719.tif 000010
【図９】
2011125719.tif 000011
【図１０】
2011125719.tif 000012
【図１１Ａ】
2011125719.tif 000013
【図１１Ｂ】
2011125719.tif 000014
【図１１Ｃ】
2011125719.tif 000015
【図１２】
2011125719.tif 000016
【図１３Ａ】
2011125719.tif 000017
【図１３Ｂ】
2011125719.tif 000018
【図１４】
2011125719.tif 000019
【図１５】
2011125719.tif 000020
【図１６】
2011125719.tif 000021
【国際調査報告】
2011125719.tif 000022
2011125719.tif 000023
2011125719.tif 000024
2011125719.tif 000025